Spurengase: Den Baum trotz lauter Wald sehen Forscher machen Störsignale in der Absorptionsspektroskopie unsichtbar

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Bei der optischen Analyse von Spurengasen kommt es leicht zu Fehlsignalen von Fremdmolekülen. Diese Kreuzempfindlichkeit haben Forscher der Universität zu Kiel nun umgangen, indem sie die unerwünschten Moleküle „unsichtbar“ machen. So lassen sich sogar Einzelkonzentrationen in Gasmischungen messen, die normalerweise zuvor aufgetrennt werden müssen.

Die laserbasierte Absorptionsspektroskopie ist eine wichtige Methode, um die Konzentration von Gasbestandteilen in einer Probe zu bestimmen. Moderne Geräte sind hochspezialisiert für den Nachweis bestimmter Gase, zum Beispiel von Spurengasen in der Atmosphäre, in Verbrennungsabgasen und in technisch angewandten Plasmen. Gemessen wird dazu der Anteil an Licht einer bestimmten Wellenlänge, der von einer Probe absorbiert wird. Daraus lässt sich auf die Konzentration des Gases schließen. Die gewählte Wellenlänge hängt davon ab, welches Molekül nachgewiesen werden soll.

Ein häufiges Problem dabei ist, dass – selbst bei geschickt gewählter Wellenlänge – verschiedene Moleküle das Licht absorbieren können. „Die Absorptionsspektren der unterschiedlichen Gasmoleküle überlagern sich teilweise sehr stark“, erklärt Professor Gernot Friedrichs vom Institut für Physikalische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). „Das bedeutet, wenn ich Molekül A nachweisen will, bekomme ich immer auch ein mehr oder weniger starkes Signal von Molekül B.“ Diese so genannte Kreuz- oder Querempfindlichkeit schränkt die Messmethode ein.

Gasanalyse per Absorptionsspektroskopie

Bisher umgeht man das Problem der Kreuzempfindlichkeit durch zusätzliche Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen, also der Messung von Spektren, oder man trennt die störenden Gase mittels gaschromatographischer Verfahren vor der eigentlichen Messung ab. Dass es auch einfacher geht, haben Friedrichs und sein ehemaliger Doktorand, Dr. Ibrahim Sadiek vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V., Greifswald, gezeigt. Sie haben eine Methode entwickelt, um diese Kreuzempfindlichkeit in der Absorptionsspektroskopie selbst bei Messung mit nur einer Wellenlänge zu überwinden. Die Machbarkeitsstudie des neuen, zum Patent angemeldeten und auf selektiver optischer Sättigung beruhenden 2S1W-Verfahrens (engl. two-species one-wavelength), wurde kürzlich im Wissenschaftsjournal Scientific Reports veröffentlicht.

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Störsignale ausschalten

Das neue Verfahren nutzt das Phänomen der optischen Sättigung in Molekülen aus. Der Zustand der optischen Sättigung tritt nur bei hohen Lichtintensitäten auf, wie sie heutzutage mit Lasern allerdings recht leicht erzeugt werden können. Die Teilchen sind dann für die Absorptionsspektroskopie „durchsichtig“, das heißt, das eingestrahlte Licht wird nicht mehr abgeschwächt. Wann die Teilchen durchsichtig werden, ist eine Eigenschaft der jeweiligen Gasart.

Bisher wurde die optische Sättigung für Absorptionsmessungen als störend eingestuft und tunlichst vermieden, da sie die Konzentrationsmessung verfälscht. In ihrer Studie haben Sadiek und Friedrichs nun aber gezeigt, dass es mittels gezielter selektiver optischer Sättigung sogar gelingt, bei konstanter Wellenlänge die Konzentrationen zweier sich komplett gegenseitig störender Moleküle getrennt zu bestimmen. „In einer speziellen Messzelle haben wir dazu die Lichtintensität sehr schnell und über einen weiten Bereich variiert. Bei geringer Lichtintensität wird die Summe der Absorptionen beider Spezies gemessen, bei der hohen Intensität ist eines der Moleküle gesättigt. Wir haben also nur noch das Signal von einer Spezies detektiert. In unserem Fall war das Chlormethan, das Methan war bereits gesättigt“, erläutert Sadiek. „Als wir das das erste Mal versucht haben, waren wir fasziniert davon, wie gut es wirklich funktioniert, auf diese an sich einfache Weise die Signale beider Spezies voneinander zu trennen.“

Praxisbeispiel: chlorierte Kohlenwasserstoffe

Ein typisches Problem in der Praxis ist zum Beispiel der Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen, die in der Atmosphäre in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommen. „Wenn man die nachweisen will, ohne die Mischung vorher aufzutrennen, bekommt man automatisch das Problem, dass die höher konzentrierten Spurengase wie Kohlenstoffdioxid oder Methan und insbesondere auch Wasserdampf, also die Luftfeuchtigkeit, die Messung stören. Durch unsere Methode können wir diese störenden Gase einfach aus dem Spektrum ausblenden“, verdeutlicht Friedrichs.

In aktuellen Projekten zur Meeresforschung arbeitet seine Arbeitsgruppe daran, das Verfahren für den Einsatz in herkömmlichen Absorptionsspektrometern weiterzuentwickeln. Das Potenzial zur Reduktion von Kreuzempfindlichkeiten soll dann in Feldmessungen demonstriert werden, um Austauschprozesse an der Wasser-Luft-Grenzfläche noch besser untersuchen zu können. Prinzipiell geeignet sei das Verfahren auch für den gleichzeitigen Nachweise sehr vieler Spurengase, wenn diese eine ausreichend unterschiedliche Sättigungsintensität aufweisen.

Originalpublikation: Sadiek, I., Friedrichs, G. Two species–one wavelength detection based on selective optical saturation spectroscopy. Sci Rep 13, 17098 (2023); DOI: 10.1038/s41598-023-44195-3

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